公路隧道浅埋软弱地质段塌方冒顶处理技术

黄 刚, 刘湘君

(中国水利水电第七工程局有限公司 一分局,四川彭山 620860)

1 工程概述

成简快速路第二标段位于成都市龙泉驿区的柏合镇、山泉镇和茶点镇境内,穿越龙泉山。龙泉山 2#隧道横穿龙泉山山脉中段,隧道进口位于成都市龙泉驿区长松寺墓东北侧沟谷内,出口位于夏家沟右岸红花村十三组北侧 100 m附近。该隧道为分离式隧道,左线隧道起点 Z K 4+619,终点Z K 6+943,长 2 324 m。右线隧道起点 Y K 4+618,终点 Y K 6+938,长 2 320 m。隧道净空断面10.5 m×5.0 m,左侧隧道最大埋深 322 m,右侧隧道最大埋深约 320.6 m。隧道进口 ～中部 ～出口的线间距为 17.218 m～26.5 m～13.83 m。隧道进、出口为Ⅴ类围岩,覆盖层薄。洞身围岩为Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ类围岩,主要以泥岩、泥质砂岩、砂岩为主。

2 隧道工程地质情况

(1)隧道进口工程地质条件评价。

隧道进口位于芦溪河右侧支沟内,该沟谷呈东西向发育,与路线走向近于一致,地表基岩均裸露,地面坡度为 45°,地表坡面即岩层层理面,岩性为蓬莱镇组厚层状中粒砂岩,岩体完整,节理不发育,隧道轴线与岩层走向近于垂直,利于边坡稳定。

(2)隧道出口工程地质条件评价。

隧道出口位于汤家河支沟夏家沟右岸,沟谷由北向东发育,沿沟谷横向支沟发育,位于夏家沟右岸与其右岸支沟交汇处一突出小山脊坡脚附近,洞口附近地表多为坡积土掩盖,仅小山脊中部见基岩出露。隧道出口位置地表均被坡残积粘土覆盖,根据钻探揭示,斜坡地段坡残积粘土层厚0～3 m,坡脚缓坡地带厚 4～6 m,隧道左侧夏家沟及出口横向支沟谷内分布冲洪积粘土,厚 0～3 m,下伏基岩为侏罗系遂宁组泥质砂岩,左线隧道出口地面坡度 15°～25°,右线隧道出口段地面坡度 25°～40°,隧道出口地段岩层倾向夏家沟,倾角 5°～10°,路线右侧存在顺层现象,隧道走向与岩层走向呈小角度相交,不利于边坡稳定。

3 塌方经过

2009年7月30日 12∶35,该隧道出口右线Y K 6+918～Y K 6+916上半洞开挖爆破散烟后,约在 12∶35,施工人员准备进洞出渣时发现在Y K 6+918～Y K 6+916新爆破成型的洞顶部位有少量块石掉落,为安全起见,施工人员退至洞口继续观察岩石掉落情况。在 13∶00左右,掉块加剧并随之出现大量坍塌,连续垮塌过程大约持续了1.5 min,直至塌方段顶部全部垮塌完,造成 Y K 6+923～6+916段冒顶。垮塌造成 Y K 6+923～6+920段初期支护的 4榀工字钢折断或压弯变形,顶拱部位约 10根管棚被拔出折断。塌方形成的坑成漏斗状,在 Y K 6+923～6+916段顶拱形成了一个约 8 m×8 m的天窗,下部由于渣体掩埋,当时无法探明具体的垮塌范围。待处理完成后发现,掌子面约 2 m范围内同样受冒顶影响成凹形。

4 塌方原因分析

分析后认为主要有以下几方面原因引起塌方:

(1)从天气情况看,近期长期下雨,致使岩土含水率饱和,洞口泥岩遇水后软化,自身稳定性下降。

(2)从地质情况看,塌方处正好处于土石分界线,可能存在一定的滑移面,且洞口段边坡主要为泥岩,自稳能力差。

(3)从支护情况看,根据事故处理后的原始照片,超前大管棚支护、灌浆效果满足设计要求,但开挖段已有 20 m,已开挖至管棚尾部,且管棚端部处于软弱围岩或土体中,无法承受上部过大的压力,同时,对上次爆破后预留的钻孔空间进行了素喷支护,而未进行型钢支护,进而造成管棚承受压力过大。

初步认定上述三种原因叠加造成了该段塌方事故的发生。

5 处理方案比较

针对该段塌方,项目部先后建议并采取了三个处理方案。

方案 1。从塌方处上口由上向下按 1∶0.5～1∶0.75的坡度进行削坡并与边坡临时支护同步进行,每次削坡高 3 m,立即在成型的边坡打设 3 m长、间排距 1 m(梅花型布置)的自进式锚杆,挂φ 8@15 cm×15 cm的挂网钢筋,然后喷护 10 cm厚的混凝土;上部临时支护完成后,再进行下一层3 m的削坡及相应的锚喷支护施工,直至坍塌坑四周边坡全部支护完成。坍塌坑边坡临时支护完成后,将洞内塌方体全部挖除,并将破坏的钢支撑及管棚全部拆除,然后以 50 cm的间距按照设计边线安设 18#工字钢支撑,并用 φ 25钢筋@1 m将钢支撑连接成一整体,加固好后,在钢支撑外缘铺设 φ 8@20 cm×20 cm钢筋网片,沿钢支撑内缘铺设模板,进行 C 20混凝土模喷支护 20 cm。待喷混凝土达到强度要求后,采用 20#工字钢在喷混凝土上方约 50 cm、空腔体下部设置纵横工字钢梁架,间距为 1 m,然后浇筑1.5 m厚 C 20混凝土;在喷混凝土和浇筑混凝土时,埋设 5根排水管至洞内。待混凝土强度达到设计强度,对坍塌坑人工分层进行夯实至原坡面。采用上述方法处理施工完成后,在开挖掌子面进行超前支护,具体方法是:重新进行管棚施工,管棚长 15 m,待管棚施工完成后,再按台阶法进行开挖施工,施工按弱爆破、短进尺、强支护的原则进行。

上述方案为项目部参加事故分析及方案讨论四方会议时的建议方案,因未达成一致,暂未按该方案施工。

方案 2。先用彩条布或防雨布将塌方范围遮盖,在塌方体范围外人工修排水沟,将外部地表水引排至塌方体漏斗空腔体外,待塌方边坡稳定后,对塌方漏斗空腔体边坡以及裸露边坡进行 C 20混凝土喷护,厚度为 10 cm。待空腔体封闭完成后,采用小导管管棚超前支护处理塌方段,具体施工程序为:

(1)为保障施工人员安全,先对洞内堆积体表面进行素喷 C 20混凝土,厚 10 cm,随后在现有已破坏工字钢桩号后退 1～2 m(桩号约 6+925)处,架立 1榀 I 18工字钢导向钢架与原有钢架联结牢固,钢架设为城门洞型,外弧半径为 6 m,在导向钢架上进行小导管施工,小导管采用 φ 50无缝钢花管,长度为4.5 m,壁厚 3.5 mm,环向间距20 cm,按拱部 120°范围布置。具体布置情况见图1。小导管管壁钻注浆孔,孔径为 6～8 mm,孔间距 15 cm,安装超前小导管并与钢架连接固定,外插角 15°,小导管与钢架安装顺序以及小导管外插角根据实际情况进行调整。采用 Y T-28手风钻钻孔,用灌浆泵进行灌浆作业,灌浆压力为 2～3 M P a;灌浆材料:水泥浆的水灰比为 0.8∶1。第一排小导管注浆完成后,清理塌方体至导向钢架 1.6 m处,进行第二榀导向钢架的架设,随即进行第二排小导管施工,施工方法同第一榀。两环搭接长度不小于 2.5 m。

图2 塌方段小导管横向布置图

(2)第二排小导管施工完成后,割除已破坏的顶部大管棚和最近的一榀已破坏的工字钢拱架,采用机械清理短距离塌方体后恢复 1榀已破坏的支护拱架,并按照设计图纸恢复初期支护,之后,继续采用机械清理短距离塌方体,割除最近一榀已破坏的工字钢并恢复工字钢拱架,然后进行第三排小导管施工。利用已经架立好的工字钢作为导向钢架进行第三排小导管施工,初期支护工字钢间距缩小为 40 cm,其余初期支护按照设计图纸进行施工。

(3)依此循环推进,直至顺利通过塌方地段。采用上述方法施工处理完成后,拆除导向钢拱架以及占据二衬断面的小导管。开挖掌子面,继续采用小导管进行超前支护,按照台阶法进行开挖施工,施工采取弱爆破、短进尺、初期支护紧跟作业面的方式。

该方案为四方会议后的修正方案。8月1～3日,按该方案在组织材料进场和人员施工时,因初期支护中大管棚及工字钢等结构物密布,且塌方体为松散堆积物和强风化泥岩混合体,导致钻孔及小导管跟进等工序进行的很困难,致使小导管不能达到预期效果,从而停止了该方案的实施。

方案 3。先用架管、铁丝、彩条布或防雨布对塌方范围进行遮盖,在塌方体范围外用人工修排水沟,将外部地表水引排至塌方体漏斗空腔体外。待塌方边坡基本稳定后,采用人工从上至下清理塌方漏斗空腔体边坡以及裸露边坡的危石及松散体,随后,对不稳定部分采用锚喷网进行支护。在人工清理、顺坡施工时派专职安全员 24 h观测及监督边坡变化情况。待坍塌边坡危险排除后,将洞内塌方体全部挖除,并将破坏的钢支撑及管棚全部拆除,然后以 40 cm的间距按照设计边线安设 20#工字钢支撑,并用∠63 mm×5 mm等边角钢剪刀撑将钢支撑连接成一整体,工字钢底部采用混凝土找平,用槽钢通条布置以增加底部基础承载力。另外,每榀拱架增加4根 φ 28锁脚锚杆,长度按照设计图纸长度保持不变,在钢支撑外缘铺设 φ 8@20 cm×20 cm钢筋网片,沿钢支撑内缘铺设模板,进行 C 20混凝土模喷支护 24 cm。待喷混凝土达到强度要求后,采用 20#工字钢在喷混凝土上方约 30 cm、空腔体下部设置纵横工字钢梁架,间距为 1 m,两端头紧靠两侧岩体,并用φ 28砂浆锚杆锚入岩体并与工字钢连接,岩体锚入深度为3.5 m,与工字钢焊接联成整体,焊接长度为 0.5 m,然后浇筑 1.5 m厚 C 20混凝土,混凝土采用强制性搅拌机搅拌,采用混凝土输送泵入仓浇筑。在喷混凝土和浇筑混凝土时,纵向设置一排 φ 50钢管作为排水孔,排距为 1 m,L=2 m,与二衬时的排水管相结合。按照上述方法处理施工完成后,将掌子面破坏的大管棚进行割除,在开挖掌子面采用小导管超前支护,采用台阶法开挖施工,施工时采取弱爆破、短进尺、支护紧跟的方式。待混凝土强度达到设计强度、开挖一段距离后,将防雨棚揭开,采用卷扬机安装提升轨道,利用洞渣对空腔体回填,人工分层进行夯实至原坡面,随后采用锚喷网进行整面封闭,锚杆为 φ 22砂浆锚杆,L=2.5 m,钢筋网 φ 8@20 cm×20 cm,混凝土标号为C20,厚度为 15 cm,具体布置情况见图2、3。

图2 塌方段处理横向布置示意图

图3 塌方段处理纵向布置示意图

从 8月4日起,项目部按第三套方案组织施工。8月4～5日,完成了冒顶漏斗范围内的支护,8月6～7日,完成了洞内塌方渣料的出渣,8月8～15日,完成了该段边顶拱的衬砌。完成该段处理共计用时 12 d。

6 结 语

对于公路隧洞浅埋软弱地质段冒顶,在塌方量不大、小导管成孔比较困难的情况下,采用先支护冒顶边坡,后出渣,再支护塌方段边顶拱并进行回填的方法是可行的,具有一定的借鉴意义。